能量天氣分析和預報方法概念

能量天氣分析和預報方法主要按照能量守恒和轉(zhuǎn)換的物理規(guī)律，用天氣圖方法研究天氣分析和預報問題。著重對天氣現(xiàn)象發(fā)生的能源和水汽問題提出切實可行的分析方法，作為常規(guī)天氣學方法的輔助手段，可彌補常規(guī)天氣圖方法之不足。

研究引入濕靜力溫度物理量和運用能量天氣學方法，對9405號熱帶風暴登陸前后我省中部和南部出現(xiàn)的一次暴雨過程進行綜合分析，了解夏季暴雨落區(qū)和單站暴雨產(chǎn)生的能量特征，提出一些具有參考價值的結論。

能量天氣分析和預報方法濕靜力溫度含義

（1）濕靜力溫度

單位質(zhì)量空氣的濕靜力能量是濕熱能、位能、潛熱能之和

E_α=C_pT gZ Lq

E_α稱為濕靜力能量。為了能用觀測資料直接簡便地計算能量，引入與能量相當?shù)臏囟取獫耢o力溫度：

T_α=E_α/C_p=T gZ/C_p L_q/C_p

由于T_α綜合表示了壓、溫、濕各要素，故分析其局地演變對于掌握氣團屬性的演變和本地天氣的關系很有用處。

當q=q_S（飽和比濕），則T_α稱為飽和靜力溫度（用T_α^*表示）。

（2）變能

由于強降水不穩(wěn)定能量增加的原因，大多數(shù)是由于中高層的降溫和低層的增濕升溫。對于夏季強降水，低層的增濕作用最大。因此，分析低層變能是簡易地考察不穩(wěn)定能量變化的一個有力方法。當△T_α≥0時，是不穩(wěn)定能量積累過程；當△T_α≤0時，是不穩(wěn)定能量釋放過程。

能量天氣分析和預報方法用能量天氣學方法作暴雨預報

雷雨順在《能量天氣學》一書中對暴雨開始時的能量特征分析結論為：①能量高、②高潛熱能、③準飽和、④存在一定的潛在不穩(wěn)定能量。因此，研究在用能量天氣學方法作暴雨落區(qū)落時預報時將重點考慮這四個方面，并且根據(jù)夏季暴雨特點以中低層能量形勢分析為主，特別是50、700、850hPa層和地面層。

由于在業(yè)務工作中，主要是根據(jù)北京時08時和20時資料分別進行(20~20時)和(08~08時)天氣預報，所以研究重點是研究如何提前12小時作天氣預報的方法。

分析對流層下部潛在穩(wěn)定度和能量的分布和演變對暴雨落區(qū)的影響，結果表明暴雨落區(qū)12小時前形勢為：①處于潛在不穩(wěn)定舌端略下游附近地區(qū)；②處于最大能量梯度區(qū)(即高能區(qū)與低能區(qū)交界處)，暴雨中心偏在高能區(qū)一側，暴雨區(qū)邊界以低能區(qū)一側鋒區(qū)邊界為界，雨區(qū)走向幾乎與能量區(qū)走向一致。上述兩點說明暴雨產(chǎn)生是上游最大潛在不穩(wěn)定、高能輸送引起的，所以能量與流場的分布情況對暴雨落區(qū)預報尤為重要。

能量天氣分析和預報方法研究結論

引入濕靜力溫度，物理意義是：利用現(xiàn)有觀側資料進行簡便計算，可以發(fā)現(xiàn)常規(guī)天氣圖上不易發(fā)現(xiàn)的各種短波系統(tǒng)和中小尺度系統(tǒng)，特別是夏半年短波天氣系統(tǒng)，對中小尺度災害性天氣分析有一定的用途。由于濕靜力總溫度只是表征了大氣的熱力學屬性，所以必須把能量天氣學方法和常規(guī)天氣圖(動力槽脊系統(tǒng)、輻合區(qū)、地形作用、流場)結合分析，才能較準確地進行暴雨預報。

能量天氣分析、預報方法，在我國是由中央氣象局氣象科學研究所首先研究并逐步推廣的。全國絕大部分省、市、自治區(qū)都有一些單位將這種觀點和方法應用在暴雨、冰雹的發(fā)生和臺風路徑等的分析、預報上。三年來的工作已初見成效，揭示了一些有意義的強烈天氣前兆現(xiàn)象，找到了若干行之有效的預報指標。當前應當總結經(jīng)驗，肯定成績，找出不足之處，確定今后發(fā)展方向，繼續(xù)前進。

能量天氣分析和預報方法能量天氣分析、預報方法的理論很據(jù)

早在一百年前，恩格斯就指出，能量守恒與轉(zhuǎn)化定律，是“從星云到人的一切物體的普編的自然規(guī)律”，它表明了“自然界中的一切運動都可以歸結為一種形式向另一種形式不斷轉(zhuǎn)化的過程”。氣象學是以研究我們地球上的大氣運動過程和規(guī)律為任務的，因此，人們很早就開始從大氣能量學的觀點研究天氣變化了。大氣能量學包括兩個方面，第一是各種形式大氣能量的分配情況，第二是不同形式的能量間的轉(zhuǎn)換過程。

（1）各種形式大氣能量的分配情況

在考慮短期天氣變化中，大氣同外界的能量交換或質(zhì)量(主要是水分)交換是可以忽略的，即忽略能和水的源和匯，也就是只包括了大氣中已具有的能和水的形式變化。水滴的凝結和蒸發(fā)是大氣中水汽含量變化的單一過程。水汽凝結后的水滴全部降落稱為假絕熱過程。水汽凝結后的水滴全部不降落，并將在以后蒸發(fā)時，稱為可逆的濕絕熱過程。兩者統(tǒng)稱為濕絕熱過程。實際情況是凝結的水滴部分降落，部分存留在大氣中后被蒸發(fā)，即介于假絕熱過程和可逆濕絕熱過程之間的。

總能、總溫度或假相當位溫的引用，揭示了濕絕熱過程中的守恒物理量，因而提供了一種追蹤運動著的空氣質(zhì)點的手段。這是很重要的?？偰芑蚩倻囟仁歉鞣N形式的能量的線性和，因而明顯地表達了各種形式的能量在濕絕熱過程中各時刻的分配情況，有一定的優(yōu)越性。在業(yè)務中應用時好處甚多，為高原分析、為充分利用現(xiàn)有資料進行次天氣尺度和中小尺度分析提供了一種較優(yōu)越的方法。

（2）不同形式能量間的轉(zhuǎn)換

能量方程實質(zhì)上是一個“算賬”的方程，它雖然揭示了濕絕熱過程中總能守恒，和不同時刻各種形式能量的分配情況，但并不闡述各種形式能量的轉(zhuǎn)換機制。單純的能量方程或總能或總溫度都不是預報工具，必須和某種其他考慮相結合才能用于預報。

對流性天氣發(fā)生發(fā)展只需要考慮單位空氣柱總能的鉛直分布，即由鉛直分布而產(chǎn)生的不穩(wěn)定能量的轉(zhuǎn)換問題。大面積降水則涉及了能量的水平分布而產(chǎn)生的不穩(wěn)定能量的轉(zhuǎn)換問題，也就是有效位能和其轉(zhuǎn)換為動能的問題。有效位能的觀點很早就被應用于氣旋的發(fā)生發(fā)展，這是不嚴格的，因為氣旋是不封閉的。五十年代有效位能觀點被用于整個大氣，雖然用了一些假定，但卻闡明了一些問題。至于有效位能的釋放，氣象學中是從斜壓不穩(wěn)定觀點來研究的?，F(xiàn)有的有效位能觀點是考慮干燥大氣的。斜壓不穩(wěn)定性理論也是如此，并且所得出的不穩(wěn)定波長太長，不適用于暴雨天氣的較小天氣系統(tǒng)(次天氣尺度系統(tǒng))。為了解決大面積暴雨天氣系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展問題，極需要把有效位能和斜壓不穩(wěn)定理論推廣到濕有效位能和濕斜壓不穩(wěn)定理論。

能量天氣分析和預報方法能量天氣分析、預報方法的實踐現(xiàn)狀

三年來我國氣象臺站從事能量分析、預報方法的實踐時，針對所面臨的問題，充分利用可能取得的資料，設計了各種表示總能或總溫度時空分布的圖表，在冰雹、暴雨和臺風預報中，取得相當好的成績。

（1）在冰雹、暴雨預報中的應用

冰雹、暴雨預報包括了有無、落時和落區(qū)三個問題。冰雹和暴雨都屬于對流性天氣或至少包括了對流性天氣，都有其孕育一發(fā)生、發(fā)展一消亡過程。從能量觀點看，就是鉛直不穩(wěn)定能量的產(chǎn)生一積累一釋放過程。冰雹和暴雨的不同在子溫度，尤其是0℃層出現(xiàn)的高度(或氣壓)。

鉛直不穩(wěn)定能量的產(chǎn)生過程，實際上大多數(shù)是下層總能量增加，上層總能量減少，或上下層總能量都增加，但下層增加得多。高層從西北方流來的干冷空氣跟低層從偏南方流來的暖濕空氣迭置在同一個空氣柱中，是常見的一種產(chǎn)生鉛直不穩(wěn)定能量的天氣過程。山西陽泉，遼寧林西，安徽宿縣等地區(qū)利用這種觀點作降雹預報，收到了一定效果。以宿縣為例，1977年6月共出現(xiàn)降雹指標5次(上午預報下午有無冰雹)，實況降雹4次，空報1次，無漏報。

不穩(wěn)定能量的積累除了抑制近地層暖濕空氣上逸的阻擋層或逆溫層外，抑制上層干冷空氣下沉的干燥層也起著重要的作用。關于不穩(wěn)定能量積累到一定程度后的釋放問題，很多臺站是把能量分析方法和常規(guī)天氣圖方法結合起來加以解決的。例如，晉東南地區(qū)用環(huán)流型、影響系統(tǒng)和能量方法相結合，有可能延長預報時效，能夠在24小時前預報出本地區(qū)有無冰雹。還有很多單位根據(jù)區(qū)域地面圖上高、低能軸線，潛在性不穩(wěn)定區(qū)域，地面風場的輻合線或輻合點以及高空氣流來判斷本地區(qū)那些縣降雹的可能性最大，并已在日常業(yè)務中試用。

湘潭、大連等地區(qū)發(fā)現(xiàn)總溫度達到或超過某一臨界值，是當?shù)爻霈F(xiàn)暴雨條件之一。北京等很多地區(qū)發(fā)現(xiàn)暴雨來臨前，低層有高能丘，揭示對流運動在暴雨形成中起著重要作用。

形成暴雨的中、小尺度天氣系統(tǒng)的生命史一般只有兒個小時，但其孕育階段即不穩(wěn)定能量的產(chǎn)生和積累卻往往經(jīng)歷較長時間。湘潭、九江等臺用能量方法或其他方法確定未來有暴雨的基礎上，再利用當天14時區(qū)域圖上的總能數(shù)值，高能中心或高能舌的位置，變能場或風場，勾畫出未來暴雨區(qū)的位置，為落區(qū)預報提供一種客觀依據(jù)。

華南和華北的一些單位發(fā)現(xiàn)，在暴雨來臨前，低層等壓面圖上的總溫度或θ_se分布常呈現(xiàn)次天氣尺度的形狀的所謂錮囚高能區(qū)。這揭示除對流不穩(wěn)定性外，濕斜壓不穩(wěn)定性所導致的次天氣尺度在區(qū)域性暴雨中也起重要作用。陜西省臺曾據(jù)此強調(diào)次天氣尺度的概念及其意義。

湖北省氣象科研所和北京臺、錦州臺發(fā)現(xiàn)暴雨深厚高能區(qū)在很多情況下，是由南向北移動的，因而外推法也取得一定效果。

（2）在臺風預報中的應用

臺風是一個深厚的高能系統(tǒng)，是不穩(wěn)定能量積累并釋放的渦旋。臺風的發(fā)生、發(fā)展與基本氣流的切變和第二種條件不穩(wěn)定性有密切的關系。臺風運動的研究，二十年前多側重引導氣流，后來則多與其發(fā)展作統(tǒng)一的考慮，即把臺風的運動歸之于不穩(wěn)定能量的積累和釋放的傳播。

1975年湖北省氣象局科研所在分析1975年第3號臺風的能量分布與其路徑的關系時，曾指出臺風中心向過去12小時50毫巴高能中心移動，并指出這可能是臺風能場變化超前于風場和氣壓場的結果。后來，空軍氣象學校對1956一1976年的150個臺風路徑和50毫巴能量場的關系進行了普查，發(fā)現(xiàn)一般臺風沿著低能區(qū)和高能區(qū)的交界面移動。只有遇到低能軸線阻擋時，才改變移動方向，當臺風前進方向被低能區(qū)包圍，臺風中心的高能區(qū)呈近似園形時，臺風則發(fā)生打轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

福建省氣象局對500毫巴能量場作了更細致的處理，并在1977年臺風季節(jié)里，在日常業(yè)務中試驗。結果是：①80%左右的時次，臺風預報路徑和實際路徑間的偏差角在20°以內(nèi)；②偏差角在30“以上者，隨度數(shù)而遞減。他們認為500毫巴總能場(考慮位能項)對臺風移動的短期預報具有指示意義，即使在拐點也是這樣。

看來，從不穩(wěn)定能量的傳播觀點分析臺風路徑，可能在理論上有優(yōu)于引導氣流之處，并有一定的實踐價值。

能量天氣分析和預報方法發(fā)展趨勢

三年來，我國氣象工作者在能量天氣分析、預報實踐中已取得了不少成果，并接觸到冰雹、暴雨和臺風的發(fā)生、發(fā)展和消亡過程的物理實質(zhì)。今后應當進一步發(fā)展，使其逐步完善。下面提出幾個方面工作的初步意見，供有關單位及從事這項工作的考慮。

（1）對流性降水

純粹對流性降水的微觀和半宏觀特征方面，還有待于精確細致的觀測，其中有一系列的技術和理論間題要解決，這需要一定的時間。但最后當能得到概括中小尺度生命史的模式和規(guī)律。當前實踐中最易收效的辦法是加強地方性天氣監(jiān)視網(wǎng)(包括雷達)和情報、指揮通訊系統(tǒng)。

至于對流性天氣的某些宏觀特征，即可以加以闡述。例如，強對流降水地區(qū)的等總溫度線或’等壓，線上凸下凹，上下層高能區(qū)打通的現(xiàn)象，就可以粗略地用水汽的向上鉛直輸送和水平側向擴散來加以解釋。

（2）濕斜壓大氣不穩(wěn)定

濕斜壓大氣不穩(wěn)定性的研究可以擴展到用診斷分析研究其位勢傾向和鉛直運動分布，也可以進一步考慮假絕熱過程和以原始方程代替準地轉(zhuǎn)方程，并從事數(shù)值模擬。

最重要的是還要從事次天氣尺度系統(tǒng)的天氣學分析，充分利用我國現(xiàn)有的探空網(wǎng)和能量分析中己獲得的結果，最后當能得到次天氣尺度系統(tǒng)的生命史模式。

濕斜壓大氣的天氣學和動力學的研究，最終將有助夏季大面積降水預報。臺風和熱帶渦旋可以看作是次天氣尺度系統(tǒng)，其發(fā)生、發(fā)展和移動也可用濕斜壓大氣的天氣學和動力學方法來加以研究。

總之，能量天氣分析、預報的實踐促進了濕斜壓大氣天氣學和動力學的研究。今后進一步的深入探索，當大有助于冰雹、暴雨和臺風等災害性天氣的預報。將來結合微觀運動的深入研究，最終將使我們得到人工影響災害性天氣的可靠方案。 2100433B

內(nèi)容介紹

《時空變形分析與預報的理論和方法》系統(tǒng)深入地討論了顧及空間和時間關聯(lián)信息的動態(tài)變形分析與預報的理論、方法及實際應用。全書共分五章。主要內(nèi)容包括變形分析研究現(xiàn)狀及進展；變形分析與預報方法綜述，敘述和分析了現(xiàn)有國內(nèi)外變形數(shù)據(jù)處理的理論和方法，概括性地評價和指出了各種方法的特點及適用場合；DDS法用于動態(tài)變形分析與預報，比較了時間序列分析中的BOX與DDS法，系統(tǒng)而詳細地討論了一種動態(tài)變形分析的時間序列分析方法及其建模步驟，提出了描述變形體穩(wěn)定性及穩(wěn)定性判據(jù)的依據(jù)；討論了多因子關聯(lián)分析及動態(tài)預報模型的建立，包括用基于灰關聯(lián)分析的系統(tǒng)狀態(tài)模型來建立變形因果關系方程和將等維新息和等維灰數(shù)遞補相結合的動態(tài)預測法來進行變形成因分析和預測的新思想、新方法在第五章空間動態(tài)變形模型及其預報方法中，作者提出了用灰關聯(lián)聚類分析方法來描述空間點之間的關系，推出了多點的時空非線性動態(tài)模型，使局部單點的變形分析轉(zhuǎn)向空間多點的整體分析，該內(nèi)容屬于當前正在開發(fā)研究的新領域。

結合應用、面向應用、介紹基本理論和方法、開拓新的研究方向是《時空變形分析與預報的理論和方法》的基本立足點。在附錄中還詳細給出了各種算法的程序。

《時空變形分析與預報的理論和方法》可供從事變形監(jiān)測和工程測量等方面的科技人員參考使用，也可作為高等院校相關專業(yè)的教師和研究生的參考書。

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1.后者是具體天氣狀況的預報，而前者則是某時段內(nèi)氣候要素和天氣狀況平均統(tǒng)計量的預測。

2.天氣預報一般僅限于對大氣圈和水圈物理過程的分析，而氣候預測必須考慮包括大氣、海洋、大陸、冰雪、生物圈等在內(nèi)的氣候系統(tǒng)內(nèi)能量和物質(zhì)交換以及天文因子的影響。

3.后者主要依賴于初值，而前者既依賴于初始條件，也依賴于邊界條件或者完全依賴于邊界條件。依賴于以上兩種條件的可預報性被洛侖茨稱為第一類可預報性。對于長期(幾十年或幾百年)的氣候變化預測，如由人類活動造成的溫室氣體增加引起的全球氣候變化，將不依賴于大氣的初始條件，這是由于模式在長期積分之后，將完全喪失對初始條件的記憶。這種完全依賴于詳細邊界條件變化的氣候預測被洛侖茨稱為第二類可預報性，其可預報性決定于外界強迫變化的時問尺度。由于氣候系統(tǒng)的慣性，即使施加于邊界的外強迫消失之后很久，氣候系統(tǒng)還將繼續(xù)變化相當長的時間，甚至長達十年以上，海平面上升的響應就是一個例子。由于第一類可預報性的時間一般不超過3周，因此，月時間尺度以上的短期氣候預測，基本上也是在第二類可預報性意義下進行的。

4.時間較長的氣候預測，還要考慮到人類活動對氣候變化的影響。最早的氣候預測是根據(jù)過去某一段時間氣候平均值的外推。但在編制時效為數(shù)年的氣候預測時，大都沿用長期天氣預報中的某些方法。例如，用時間序列的分析技術，分析氣候要素的歷史變化，尋找序列本身的演變規(guī)律，建立氣候預測方程，或者尋找氣候要素同一種或數(shù)種環(huán)境因子之間的統(tǒng)計聯(lián)系，然后根據(jù)相關因子的變化來預測未來的氣候。有的國家已用數(shù)值模擬方法推斷未來氣候。

簡稱“天氣預警系統(tǒng)”。能自動地進行短時災害性天氣(如熱帶氣旋、暴雨、高溫、低溫、大霧等)預報、警報服務的體系。包括:電子計算機自動收集、處理、存儲有關氣象信息,并生成多種圖形、圖像產(chǎn)品,以及中尺度天氣實時資料庫、甚高頻通信網(wǎng)和警報服務系統(tǒng)。能在短時內(nèi)(如515分鐘)將災害性天氣預報、警報傳遞到用戶,使用戶及時采取相應的緊急措施。